Kémia
Új generációjú üzemanyagcellák
Oláh György
az MTA tiszteleti tagja, egyetemi tanár,
igazgató Loker Hydrocarbon Research Institute, University of Southern California
olah@usc.edu
Ániszfeld Róbert
PhD, MBA, igazgatóhelyettes
Loker Hydrocarbon Research Institute,
University of Southern California
aniszfel@usc.edu
Mi az üzemanyagcella?
Az üzemanyagcella olyan elektrokémiai galvánelem, amely képes a benne lévő üzemanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos energiává átalakítani. A különbség az üzemanyagcellák és galvánelemek között az, hogy amíg a galvánelemek esetében az üzemanyag felhasználása után az elemet (vagy akkumulátort) ki kell cserélni (vagy fel kell tölteni), addig az üzemanyagcellákat új üzemanyaggal folyamatosan lehet ellátni. Ez mint elvi lehetőség már 160 éve ismert, Sir William Grove, walesi születésű brit kutató reagáltatott először hidrogén- és oxigéngázt platina elektródok fölött és ekkor elektromos áramot észlelt (Grove, 1839). Több kutatócsoport munkája ellenére az üzemanyagcellák széleskörű gyakorlati alkalmazása még nem valósult meg. Üzemanyagcellákat űrhajókon használnak elektromos áram fejlesztésére, de ma már több más alkalmazási területen is megtalálhatók. Tömeges elterjedésüket energiaátalakítási hatásfokuk és magas költségük még korlátozza (Appleby, 1993).
Az üzemanyagcellák előnye a belső égésű motorokhoz képest az, hogy az üzemanyagcellák eleméleti hatásfokát elvi termodinamikus határok nem korlátozzák, a belső égésű motorok hatásfokát viszont a Carnot-ciklus diktálta termodinamikus határok szabják meg. Ha belső égésű motort és dinamót használunk elektromos áram fejlesztésére, a sorba kapcsolt folyamatok eredő hatásfokát az egyes hatásfokok szorzata adja meg, azaz jelentő s veszteségekkel jár ilyen módon elektromos energiát fejleszteni. E két különböző elektromos áram-fejlesztési folyamatot az 1. ábra illusztrálja.
1. ábra • Az elektromos áram-fejlesztés hatásfoka
Az üzemanyagcellák további előnye az akkumulátorokkal (vagy szekunder elemekkel) szemben az, hogy az "újratöltés" azonnal megvalósul, amíg a legújabb gyorstöltésű akkumulátorok minimálisan is kb. egy órát és külső elektromos áramforrást igényelnek az újratöltéshez. Az üzemanyagcellák további nagy előnye, hogy lényegesen nagyobb teljesítménysűrűségre képesek, és hogy az üzemanyagtartály térfogatát (és ezzel a két tankolás/töltés közötti idő tartamot) kizárólag a pontos felhasználás követelményei diktálják.
Az üzemanyagcellák három fő sajátosságuk alapján rendszerezhető k: (1) a működési hő mérséklet korlátai szerint, (2) az üzemanyag típusa alapján és (3) az elektrolit fajtája alapján. Cikkünk központi tárgya az úgynevezett PEM, a polimer elektrolit membránt alkalmazó üzemanyagcellák, amelyek szobahőmérsékleten képesek működni. Továbbá összefoglaljuk két különböző üzemanyagcella tulajdonságait, előnyeit és hátrányait. Az egyik a Grove-féle hidrogén/oxigén cella, a másik az általunk és a Caltech - Jet Propulsion Laboratory által közösen kifejlesztett, a metanol vizes oldatának közvetlen (direkt) oxidációján alapuló üzemanyagcella.
A Grove-féle cellákban hidrogént és oxigént elektrokémiai úton reagáltatnak, közben elektromos áram, víz és hő képződik (2. ábra). A hidrogén/oxigén üzemanyagcellák tömeges elterjedését nehezíti, hogy nagyobb mennyiségű hidrogén tárolása veszélyes, a hidrogén elő állítása energiaigényes. Nem utolsósorban gond az is, hogy nagy mennyiségű hidrogén szétosztására nem létezik még infrastruktúra, és egy ilyen hálózat kiépítése komoly befektetést igényelne. A hidrogéngáz reformátorokban is elő állítható, ahol a különböző forrásokból származó szénhidrogéneket katalitikusan hidrogén és szén-monoxid keverékké alakítják át, amit ezután szétválasztanak. A teljes szétválasztást azonban nehéz megvalósítani. A nyom-szennyeződésként visszamaradó szén-monoxid felhalmozódása viszont megmérgezheti az üzemanyagcella platina katalizátorát.
2. ábra • Hidrogén/oxigén üzemanyagcella
Direkt metanolos üzemanyagcella (Direct Methanol Fuel Cell - DMFC)
A NASA Jet Propulsion Laboratoryval közösen kifejlesztett direkt metanolos üzemanyagcellánk (Surampudi, Olah, Prakash et al., 1994) a Grove-féle hidrogén/oxigén cella sok problémájával szemben nagyban leegyszerűsített és szobahő mérsékleten is biztonságos működést biztosít. (A továbbiakban az angol kezdő betűkön alapuló DMFC = Direct Methanol Fuel Cell rövidítést fogjunk használni üzemanyagcellánk megnevezésére). A DMFC valamilyen folyékony szerves üzemanyag híg vizes oldatának (például: 3 %-os metil-alkohol) oxigénnel (vagy levegővel) történő közvetlen katalitikus oxidációján alapul. A DMFC (Oláh et al., 1997) elektromos áramot, szén-dioxidot, vizet és hőt termel (3. ábra).
3. ábra • A metanol vizes oldatával működő közvetlen oxidációjú üzemanyagcella sémája (DMFC) (Forrás: Oláh György és Ániszfeld Róbert - Richard L. Sanchez / Los Angeles Times)
1. Metanol 3 %-os vizes oldatát az anódtérbe vezetik, és egyidejűleg oxigént (vagy levegő t) táplálnak a katódtérbe.
2. A platina/ruténium katalizátor felületén a metanol víz jelenlétében szén-dioxiddá alakul.
3. Az így felszabadított elektronok az áramszedő lemez felé áramlanak. A polimer elektrolit membrán elektronszigetelő anyag, amely az elektronoknak a katódtérbe való áramlását akadályozza meg.
4. Elektron potenciál és áram épül fel, ami a fémlemezen keresztül a külső áramkörbe folytatja útját.
5. Ezalatt a 2. pontban leírt folyamatban keletkezett protonok a polimer elektrolit membránon keresztül a katódtérbe vándorolnak.
6. A katódtérben a platina katalizátorral érintkezésben lévő protonok, az oxigén és az elektronok egyesülnek. A keletkező víz a feleslegben lévő gázzal együtt elhagyja a katódteret.
7. Az anódtérből áramló elektronok munkába lépnek az izzólámpán keresztül, ami után folytatják útjukat a katódtér felé.
DMFC -prototípusok
A Caltech-JPL-USC kooperáció eredményeire építve új generációjú prototípusokat építettünk. Ezek a prototípusok képesek szobahőmérsékleten a metanol és a metanol származékainak híg vizes oldatával és levegővel több órán keresztül megszakítás nélkül működni (4. ábra). Ameddig az ábrán látható prototípust metanollal és levegővel tápláljuk, a prototípus megállás nélkül működik. A 4. ábrán egy egyrekeszű cella látható, amelynek legfontosabb eleme a jobb oldali képen látható, kb. 2 mm vastagságú korong alakú membránelektród-szerelvény. Az 5. ábra egy 25 cm2-es aktív alapterületű membránelektród-szerelvény szobahőmérsékletű elektromos teljesítményét és energiasűrűségét illusztrálja. A membrán és a membránelektród-szerelvény adatait a közelmúltban megadott szabadalom részletezi (Oláh et al. 2001).
4. ábra • DMFC-prototípus
5. ábra • Egycellás DMFC teljesítménye szobahőmérsékleten
A mobiltelefonok és kézi adattárolású számológépek többféle működési képességeinek egyetlen mobilkészülékbe való sűrítésével az új generációjú telefonok energiaigénye messze túlhaladja a jelenlegi elemek kapacitását. Ennek következtében az akkumulátoros technológia korlátai a mobil eszközök fejlődési ütemének meghatározó tényezőivé váltak. Ezért az üzemanyagcellák általános sikere fontos szerepet játszhat majd a mobil eszközök iparának jövőjében is.
Egy másik prototípusunk a 6. ábrán látható nyolccellás DMFC energiaforrás. A berendezés, csakúgy, mint a 4. ábrán látható egyrekeszű elő dje, szobahőmérsékleten metanol híg vizes oldatával és levegő vel működik. Ez az újabb prototípus abban különbözik elődjétől, hogy a négy-négy, egyenként kb. 5 cm2 területű membrán-elektród-szerelvény anód oldalai a prototípus közepén helyezkedő 45 ml térfogatú üzemanyagtartály két szemben lévő oldalát képezik. Továbbá a metanol újratöltését önzáró, gyorskapcsolású szelepekkel oldottuk meg.
6. ábra • Nyolccellás DMFC-prototípus
Regeneratív üzemanyagcellák. A szén-dioxid, mint a világ szén és szénalapú vegyületeinek végső forrása
Kutatásaink során (Oláh, Prakash, 1998) megfigyeltük, hogy a DMFC-ben lejátszódó kémiai folyamat fordított irányban is megvalósítható. Így a metil-alkohol vagy a belő leszármaztatható oxigéntartalmú vegyületek elő állíthatóak szén-dioxidból vizes közegű elektrokatalitikus redukcióval, vagyis anélkül, hogy előbb a vízből hidrogént kellene készíteni. Ebben az úgynevezett regeneratív vagy fordított üzemanyagcellában a szén-dioxidot és a vizet elektrokatalitikus úton oxigéntartalmú üzemanyaggá, hangyasavvá és származékaivá alakítjuk. A cellafeszültségtől függően a metil-alkohol szintézise is lehetővé válik. (7. ábra)
7. ábra • Standard redukciós potenciálok
A fordított üzemanyagcella a CO2elektrokatalitikus redukcióját olyan feszültségnél valósítja meg, amely kívül esik a víz elektrolíziséhez szükséges feszültségtartományon. A fordított működési módban a feszültség alatt lévő üzemanyagcella a szén-dioxid vizes oldatából oxigéntartalmú metánszármazékokat: metil-alkoholt, dimetil-étert, dimetoxi-metánt, trimetoxi-metánt, trioxi-metilént, dimetil-karbonátot és metil-formiátot állít elő (8. ábra). Az üzemanyagcella, ennek megfelelően, az elektromos energia reverzibilis tárolójaként működik, és ezt sokkal hatékonyabban végzi, mint bármilyen ismert akkumulátor. A szén-dioxid újrafelhasználása tehát nemcsak a fűtő anyagok regenerálására ad lehetőséget, de egyúttal csökkentheti ennek az üvegházhatást okozó gáznak az atmoszférában történő felhalmozódását is (Oláh, 1999).
8. ábra • Regeneratív üzemanyagcella
Összefoglalás
Elektromos energia hatásos tárolására ma még nincs bevált eljárás vagy hatásos berendezés. Például a hidroelektromos erő művek esetében a felesleges elektromos energiát (kapacitást) arra használják, hogy a vizet szivattyúkkal alacsonyabb szintről magasabb szintre emeljék, amivel helyzeti energiát nyernek, amelyet később újra elektromos energiává alakítanak. Nagy veszteségekkel ugyan, de ilyen módon elektromos energiát tudnak tárolni. Természetesen ez csak a hidroelektromos erőművek környékén valósítható meg, és csak ott érdemes használni, ahol vízhiány van. Ezzel szemben - a földrajzi helytől függetlenül - a felesleges elektromos energiát a regeneratív üzemanyagcellákon keresztül a fentiekben leírt módon fel lehet használni metil-alkohol vagy származékainak az elő állítására is. Mások hasonló megfontolásokból, a nap-, a szél- és az atomenergiát akarják hidrogén fejlesztésére használni, és az így elő állított hidrogénnel kívánnak energiát tárolni (Hoffman, 2001). Az elgondolás az, hogy a hidrogént majd a Grove-féle üzemanyagcellákban fogják hasznosítani. A hidrogéngáz alkalmazhatóságának hátrányai azonban messze túlszárnyalják előnyeit, mivel:
• hidrogént nehéz biztonságosan tárolni, szállítani és szétosztani;
• a hidrogén széleskörű szétosztására infrastruktúra jelenleg még nem létezik;
• továbbá hidrogént szénhidrogénekből reformátorok segítségével csak komplex módon lehet elő állítani, és az így elő állított gáz mindig tartalmaz szén-monoxidot is, amit költséges elválasztani.
Ezen okok miatt hidrogén helyett mi a metil-alkohol és származékainak energiahordozóként való elő állítását és az üzemanyagcellákban való felhasználását kutatjuk. A biztonságos, folyékony halmazállapotú üzemanyag előnyei mellett alapvető előnyt képez az is, hogy metil-alkoholt (és származékait) szén-dioxidból is elő lehet állítani. A szén-dioxid okozta üvegházhatású melegedés világszerte hatalmas költségeket jelent. Többek között ez a tényező is a szén-dioxid alapanyagként való gazdaságos felhasználásának lehetőségét helyezi elő térbe.
Mint azt már korábban említettük, a direkt metanolos üzemanyagcellában lejátszódó katalitikus kémiai reakciók fő termékei az elektromos áram, a hő , a víz és a szén-dioxid. Szén-dioxidot az általunk kifejlesztett regeneratív üzemanyagcellában elektrokémiai úton is vissza lehet cirkulálni. Természetesen ehhez energia szükséges, amit a jövőben az alternatív energiaforrások mellett az atomenergia fog majd szolgáltatni. A metanol így mint reverzibilis energiatároló - hordozó üzemanyagként fog egyre fontosabb szerepet játszani.
Kulcsszavak: Üzemanyagcella, polimer elektrolit membrán (PEM), üvegházhatás, regeneratív üzemanyagcella, elektromosáram-fejlesztés, energiahordozó.
IRODALOM
Appleby, A. J. and Foulkes, F. R. (1993). Fuel Cell Handbook. Krieger Publishing Co., Malabar, Florida
Grove, W. R. (1839). Phil. Mag., 14, 127
Hoffman, P. (2001). Tomorrow's Energy - Hydrogen, Fuel Cells, and the Prospects for a Cleaner Planet. The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, London, England
Olah, G. A., Prakash, G. K. S. et al. (1997). Aqueous Liquid Feed Organic Fuel Cell Using Solid Polymer Electrolyte Membrane. US Patent 5,599,638
Olah, G. A. and Prakash, G. K. S. (1998). Recycling of Carbon Dioxid into Methyl Alcohol and Related Oxygenates for Hydrocarbons. US Patent 5,928,806
Olah, G. A. (1999). Olaj és szénhidrogének a 21. században. Magyar Kémiai Folyóirat. 105, 161-167
Olah, G. A., Prakash, G. K. S. et al. (2001). Novel Polymer Electrolyte Membrane for Use in Fuel cells. AU Patent 729900; WO 98/22989
Surampudi, S., Narayanan, S. R., Vamos, E., Frank, H., Halpert, G., LaConti, A., Kosek, J., Prakash, G. K. S. and Olah, G. A. (1994). Advances in Direct Oxidation Methanol Fuel Cells. J. Power Sources 47, 377